(57)【要約】  【課題】燃料電池の外部に配置されたイオン交換樹脂の凍結による破損を防止する。  【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池から排出された生成水中のイオンを除去するイオン交換樹脂を有するイオン除去装置としての気液分離器と、燃料電池システムが搭載された移動体の停止時において、気液分離器内に不凍液を供給し、イオン交換樹脂が不凍液内に没した状態にする凍結抑制手段とを備える。イオン交換樹脂が不凍液中に没することで、イオン交換樹脂内の水分の希釈化が図られるとともに、且つイオン交換樹脂の凍結が抑制されるので、イオン交換樹脂の破損が防止される。【選択図】図２
2006286544.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を含むシステムであって、
前記燃料電池の外部に配置され、該システムで生成又は利用される水からイオンを除去するイオン交換樹脂を含むイオン除去装置と、
前記イオン交換樹脂の凍結を抑制する凍結抑制手段と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記イオン除去装置は、前記固体高分子型燃料電池から排出される生成水中のイオンを除去する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記凍結抑制手段は、不凍液を前記イオン除去装置に供給する不凍液供給手段を含み、
前記凍結抑制手段は、前記不凍液供給手段で不凍液を前記イオン除去装置に供給し、前記イオン交換樹脂を不凍液内に没した状態にする
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記凍結抑制手段は、前記イオン交換樹脂を加熱する加熱手段を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記イオン除去装置は、前記燃料電池から排出される生成水が流れる配管の内部空間と該生成水中のイオンを透過する半透膜で隔てられた内部空間を有する容器部を含み、
前記容器部は、前記イオン交換樹脂を収容しており、
前記容器部の内部空間は、不凍液で満たされており、
前記生成水は前記半透膜を介して前記不凍液と接する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記イオン除去装置は、前記固体高分子形燃料電池の冷却水に含まれるイオンを除去する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、システムで生成又は利用される水に含まれるイオンを燃料電池の外部で除去するイオン除去装置を含む燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体高分子形燃料電池(高分子電解質膜形燃料電池：ＰＥＦＣ)で生成された生成水を排出する管にイオン除去ユニットが設けられ、生成水中に含まれるイオンを除去するように構成された固体高分子型燃料電池システムがある(例えば、特許文献１)。
【０００３】
また、本発明に関連する先行技術文献として、下記の特許文献２〜７に開示された技術がある。
【特許文献１】特開２００２−３１３４０４号公報
【特許文献２】特開２００３−２８２１０６号公報
【特許文献３】特開平１０−２２３２４９号公報
【特許文献４】特開２００３−２３４１１３号公報
【特許文献５】特開２００４−１４３２４号公報
【特許文献６】特開２００４−１６４９７１号公報
【特許文献７】特開２００４−１７８９０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１記載の技術では、イオン除去ユニットは、水が張られ、その中に生成水を含む排出ガスが通されるバブリングポットを有し、該ポットの水中に設けられたイオン交換樹脂がイオンを取り除くように構成されている。
【０００５】
しかしながら、このような構成では、零度以下の環境下では、イオン交換樹脂とイオン交換樹脂内に入り込んだ水分が凍結により膨張し、イオン交換樹脂が破損するおそれがあった。
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑みなされたものであり、燃料電池の外部に配置されたイオン交換樹脂が低温環境下で破損することを防止することができる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述した課題を解決するために以下の構成を採用する。
【０００８】
すなわち、本発明は、燃料電池を含むシステムであって、
前記燃料電池の外部に配置され、該システムで生成又は利用される水からイオンを除去するイオン交換樹脂を含むイオン除去装置と、
前記イオン交換樹脂の凍結を抑制する凍結抑制手段と
を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、イオン交換樹脂の凍結が抑制されることで、イオン交換樹脂の破損が防止される。
【００１０】
本発明による燃料電池システムは、例えば、イオン除去装置が、前記固体高分子型燃料電池から排出される生成水中のイオンを除去する
ことを特徴とする。
【００１１】
本発明による燃料電池システムは、例えば、凍結抑制手段が、不凍液を前記イオン除去装置に供給する不凍液供給手段を含み、
前記凍結抑制手段が、前記不凍液供給手段で不凍液を前記イオン除去装置に供給し、前記イオン交換樹脂を不凍液内に没した状態にする
ことを特徴とする。
【００１２】
本発明による燃料電池システムは、例えば、凍結抑制手段が、前記イオン交換樹脂を加熱する加熱手段を含むことを特徴とする。
【００１３】
本発明による燃料電池システムは、例えば、イオン除去装置が、前記燃料電池から排出される生成水が流れる配管の内部空間と該生成水中のイオンを透過する半透膜で隔てられた内部空間を有する容器部を含み、
前記容器部は、前記イオン交換樹脂を収容しており、
前記容器部の内部空間は、不凍液で満たされており、
前記生成水は前記半透膜を介して前記不凍液と接する
ことを特徴とする。
【００１４】
本発明による燃料電池システムは、例えば、前記イオン除去装置は、前記固体高分子形燃料電池の冷却水に含まれるイオンを除去する
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、燃料電池の外部に配置されたイオン交換樹脂が低温環境下で破損することを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されない。
【００１７】
〔第１実施形態〕
〈燃料電池システムの構成例〉
図１は、本発明が適用される燃料電池システムの構成例を示す図である。当該燃料電池システムは、移動体(例えば車両)に搭載され、移動体に駆動力を供給する動力源として使用される。図１において、燃料電池１として、固体高分子型燃料電池(ＰＥＦＣ)が適用されている。燃料電池１は、複数のセルが積層されてなるセルスタックを構成している。
【００１８】
各セルは、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜を両側から挟む燃料極(アノー
ド)及び空気極(酸化剤極：カソード)と、燃料極及び空気極を挟む燃料極側セパレータ及
び空気極側セパレータとからなる。
【００１９】
燃料極は、拡散層と触媒層とを有し、水素ガスや水素リッチガスなどの水素を含む燃料が燃料供給系により燃料極に供給される。燃料極に供給された燃料は、拡散層で拡散され触媒層に到達する。触媒層では、水素がプロトン(水素イオン)と電子とに分離される。水素イオンは固体高分子電解質膜を通って空気極に移動し、電子は外部回路(図示せず)を通って空気極に移動する。
【００２０】
一方、空気極は、拡散層と触媒層とを有し、空気等の酸化剤ガスが酸化剤供給系により空気極に供給される。空気極に供給された酸化剤ガスは、拡散層で拡散され触媒層に到達
する。触媒層では、酸化剤ガスと、固体高分子電解質を通って空気極に到達した水素イオンと、外部回路を通って空気極に到達した電子とによる反応により水が生成される。
【００２１】
このような燃料極及び空気極における反応の際に外部回路を通る電子が、燃料電池１のセルスタックの両端子間に接続される図示しない負荷に対する電力として使用される。
【００２２】
燃料電池１には、燃料を供給及び排出するための燃料供給／排出系と、酸化剤を供給及び排出するための酸化剤供給／排出系とが接続される。図１において、燃料供給／排出系は次のように構成されている。
【００２３】
すなわち、燃料電池１に設けられた燃料入口１Ａは、水素源(例えば、高圧水素を貯留
したタンク)２及び調圧弁３と配管４を介して接続されている。一方、燃料電池１に設け
られた燃料出口１Ｂは、配管５を介して、燃料ガスの気液分離器６の入口に接続されている。燃料電池１の内部には、燃料入口１Ａと燃料出口１Ｂとを結び、且つセルの燃料極を経由する燃料通路１Ｃが設けられている。
【００２４】
燃料気液分離器６の気体側出口は、配管７を介して、モータにより駆動する循環ポンプ８の入口に接続されている。循環ポンプ７の出口は、配管９が設けられており、配管９は、逆止弁１０を介して配管４に接続されている。また、配管９には、排気管１１及び排気弁１２が配置されている。排気弁１２から排出されるガスは図示せぬ希釈器を通って水素濃度が薄められた後、外部に排出される。
【００２５】
以上の構成において、燃料ガスが通過する配管のうち、配管５、気液分離器６、配管７、配管９は、ステンレス(ＳＵＳ)のような金属製の材質で構成されている。
【００２６】
このような構成により、水素源２から送り出される高圧の水素ガスは、調圧弁３で調圧された後、配管４を通って燃料入口１Ａから燃料電池１に入り、燃料通路１Ｃを通過する際に燃料極にて電極反応に消費される。その後、燃料極を通過した水素ガスは、水素オフガスとして燃料出口１Ｂから配管５(燃料電池１の外部)へ排出され、気液分離器６へ送られる。
【００２７】
気液分離器６では、燃料オフガスが気相成分と液相成分とに分離され、気相成分は配管７を通って循環ポンプ８により再び配管４に供給される。このように、燃料電池１に供給される燃料ガスが循環するように構成されている。さらに、調圧弁３及び排気弁１１の開閉制御により、燃料ガスの濃度が適正な範囲で保たれるように構成されている。
【００２８】
一方、図１において、酸化剤供給／排出系は、次のように構成されている。すなわち、燃料電池１に設けられた酸化剤入口１Ｄは、配管１３を介してエアコンプレッサ１４に接続されている。また、燃料電池１に設けられた酸化剤出口１Ｅは、配管１５を介して酸化剤ガスの気液分離器１６の入口に接続されている。燃料電池１の内部には、酸化剤入口１Ｄと酸化剤出口１Ｅとを結び、且つセルの空気極を経由する酸化剤通路１Ｆが設けられている。さらに、気液分離器６の液相成分の出口は、ドレン弁を介して配管１７の一端に接続されており、配管１７の他端は配管１５に接続されている。
【００２９】
このような構成によれば、エアコンプレッサ１４のモータによる駆動により、酸化剤ガスとしての空気が配管１３を介して燃料電池１に供給される。空気は酸化剤入口１Ｄから燃料電池１に入り、酸化剤通路１Ｆを通過する際に、空気極にて電極反応に消費される。空気極を通過した空気は、酸化剤オフガスとして酸化剤出口１Ｅから配管１５(燃料電池
１の外部)に排出される。配管１５に送り出された酸化剤オフガスは、配管１７から合流
する液相成分とともに気液分離器１６へ導入される。
【００３０】
気液分離器１６では、気相成分と液相成分との分離が行われる。気相成分は、排出管１６Ａから排出され、図示せぬ希釈器を通り、濃度が薄まった状態で外部に排出される。液相成分は、排出管１６Ｂから排出される。
【００３１】
ところで、燃料電池１では、空気極での反応によって水(生成水)が生成される。生成水は、固体高分子電解質膜を通じて空気極から燃料極に到達する。固体高分子電解質膜には、フッ素系樹脂系高分子膜が適用されている。このため、燃料極へ移動する生成水中にフッ酸(フッ素イオン)が溶出することがある。
【００３２】
燃料極へ到達した生成水は、燃料ガスとともに、燃料電池１の外部(配管５)に排出される。このとき、燃料電池１から排出される生成水中のフッ素イオンは、配管５等を構成する金属と反応し金属イオン(ステンレス(ＳＵＳ)であれば、鉄(Ｆｅ)，ニッケル(Ｎｉ)，
クロム(Ｃｒ)等の各イオン)が溶出する要因となることがある。生成水は、気液分離器６
で液相成分として燃料オフガスから分離され、配管１７、１４を通じて気液分離器１６に導入される。気液分離器１６では、その内部に配置されたイオン交換樹脂により、生成水からフッ素イオンや金属イオンを除去する。
【００３３】
以下、気液分離器１６内に配置されたイオン交換樹脂が、低温環境下で破損することを防止する構成について例示する。
【００３４】
〈気液分離器１６の構成〉
図２は、第１実施形態における気液分離器１６を中心とした構成例を示す図であり、図２(Ａ)は、移動体の移動時を示し、図２(Ｂ)は、移動体の停止時を示す。図２において、気液分離器１６の本体２１は、上部及び下部が閉塞された円筒形状に構成されており、その内部空間は気液分離室２２として機能する。
【００３５】
気液分離室２２は、本体２１の側面に取り付けられた配管１５(図１)の内部空間と連通している。また、気液分離室２２は、本体２１の上面に取り付けられた排出管１６Ａの内部空間と連通している。
【００３６】
気液分離室２２の底面の中心には開口部２３が設けられており、底面は気液分離室２２の内側面から開口部２３に向かって低くなるように傾斜している。開口部２３には、ドレン弁２４を介して排出管１６Ｂが取り付けられている。また、気液分離室２２の底面には、不凍液(ＬＬＣ：Long Life Coolant)の供給／排出口２５が形成されている。
【００３７】
気液分離室２２の底面上には、イオン交換樹脂３１が固着されている。イオン交換樹脂３１は、開口部２３及び供給／排出口２５を除き、底面上に敷き詰められた状態となっている。イオン交換樹脂３１は、マイナスイオン(フッ素イオン等)を除去するためのアニオン交換樹脂と、プラスイオン(金属イオン等)を除去するためのカチオン交換樹脂とからなる。
【００３８】
供給／排出口２５は、弁２６及び配管２７を介してポンプ２８に接続されている。ポンプ２８は、配管２９を介して不凍液の貯留槽３０(図１)に接続されている。不凍液として、例えば、エチレングリコール、プロピレングリコールが適用される。
【００３９】
ドレン弁２４及び弁２６は、例えば電磁弁で構成される。ドレン弁２４，弁２６，ポン
プ２８(ポンプ２８に駆動力を与えるモータ２８Ａ)の動作は、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)３２により制御される。
【００４０】
ＥＣＵ３２は、ＣＰＵ(中央演算処理装置)のようなプロセッサ，メモリ(ＲＯＭ、ＲＡ
Ｍ等)、入出力インタフェース等から構成されており、プロセッサがメモリに記憶された
プログラムを実行することによって、気液分離室２２に対する不凍液の供給／排出処理等を行う。  
【００４１】
以上の構成によれば、燃料電池１の発電中(移動体の移動時)には、配管１５からの生成水を含む酸化剤オフガスが気液分離室２２内に導入される。配管１５は、本体２１の水平方向断面円形に対する接線方向に取り付けられており、配管１５から気液分離室２２内に導入された酸化剤オフガスは気液分離室２２の内周面に沿って旋回する。
【００４２】
すると、比重の軽い気相成分(酸化剤オフガス)は配管１５から導入される酸化剤オフガスに押し出されるようにして排出管１６Ａから排出される。一方、酸化剤オフガス中の液相成分(生成水)は、気液分離室２２の底部に移動する。このとき、ドレン弁２４及び弁２６は閉弁状態にあり、気液分離室２２の底部には生成水が溜まる。
【００４３】
底部に溜まった生成水は、イオン交換樹脂３１内に浸透する(イオン交換樹脂３１が生
成水中に浸される)。これにより、生成水中のイオン(フッ素イオン、金属イオン)が、イ
オン交換樹脂３１に吸着され、生成水中から除去される。そして、適宜のタイミングでドレン弁２４が開弁されることにより、イオンが除去された生成水が排出管１６Ｂから排出される。
【００４４】
ここで、イオン交換樹脂３１は、零度以下(水の凝固点)以下の環境下では、イオン交換樹脂３１、及びその内部に入り込んだ水分の凍結・膨張により破損(粉砕)する可能性がある。イオン交換樹脂３１が破損すると、破損により生じた欠落物(粉状物)が酸化剤オフガスとともに排出管１６Ａから排出される可能性がある。欠落物の回収は困難であり、また、欠落によるイオン交換樹脂３１の減少によりイオン除去機能が低下する可能性もある。ＥＣＵ３２は、イオン交換樹脂３１の破損を防止するため、次のような不凍液の供給／排出処理を行う。
【００４５】
〈ＥＣＵ３２による処理〉
ＥＣＵ３２は、移動体が停止しているか否か(燃料電池１の運転のオン／オフ)を検出する構成を持つ。例えば、ＥＣＵ３２は、燃料電池１の運転のオン／オフを示す信号として、移動体のイグニッションスイッチのオン／オフを示す信号が入力されるように構成されている。ＥＣＵ３２は、オフを示す信号を受け取ると、移動体が停止していると判定する。なお、ＥＣＵ３２が移動体の速度信号を受け取り、速度が零の場合に移動体が停止している(燃料電池１の運転停止)と判定するように構成されていても良い。
【００４６】
ＥＣＵ３２は、移動体が停止していると判定すると、気液分離室２２に対する不凍液の供給処理として、例えば次のような処理を行う。即ち、ＥＣＵ３２は、ドレン弁２４を開弁状態にして可能な限り気液分離室２２に溜まった生成水を排出する。例えば、ＥＣＵ３２は、気液分離室２２からの生成水の排出に必要な所定時間、ドレン弁２４に制御信号を与えて開弁状態にする。所定時間は実験等に基づき規定することができる。
【００４７】
所定時間が経過すると、ＥＣＵ３２は、ドレン弁２４を閉弁状態にする。続いて、ＥＣＵ３２は、弁２６に制御信号を与えて開弁状態にする。さらに、ＥＣＵ３２は、モータ２８Ａに対し、不凍液を供給する制御信号を与える。これにより、ポンプ２８が駆動(正転)し、貯留漕３０内に貯留された不凍液が配管２７から供給／排出口２５を通って気液分離室２２内に供給される。
【００４８】
不凍液の供給は、気液分離室２２内のイオン交換樹脂３１が不凍液内に没する状態(図
２(Ｂ)参照)になるまで行われる。例えば、ＥＣＵ３２が所定時間ポンプ２８の駆動を行
い、この所定時間内にイオン交換樹脂３１が完全に没する量の不凍液が気液分離室２２内に供給されるように構成する。
【００４９】
或いは、気液分離室２２内に設けられた水位センサの出力をＥＣＵ３２が受け取るように構成し、ＥＣＵ３２が水位センサの出力が所定の水位(イオン交換樹脂３１が没する水
位)を示すまでポンプ２８による不凍液の供給を継続する。
【００５０】
イオン交換樹脂３１が不凍液内に没することで、気液分離室２２内が零度以下の環境となった場合であっても、イオン交換樹脂３１の凍結が抑制される。また、イオン交換樹脂３１が不凍液内に没することで、イオン交換樹脂３１内の水分(生成水)は希釈化される(
水分が不凍液中に溶ける)。これにより、水分(生成水)がイオン交換樹脂３１内から洗い
出された状態となる。従って、零度以下の環境下でも、イオン交換樹脂３１内の水分の凍結膨張は抑止され、イオン交換樹脂３１の破損が防止される。
【００５１】
その後、移動体の停止状態(燃料電池１の運転停止状態)が解除される(ＥＣＵ３２がイ
グニッションスイッチのオン信号を受け取る)と、ＥＣＵ３２は、気液分離室２２からの
不凍液の排出処理として、例えば次のような処理を行う。即ち、ＥＣＵ３２は、モータ２８Ａに制御信号を与え、ポンプ２８を逆転させる。これにより、気液分離室２２内の不凍液は、配管２７、ポンプ２８、配管２９を通って貯留槽３０に戻される。
【００５２】
ポンプ２８の駆動時間は、気液分離室２２から十分に不凍液を排出するに必要な時間を考慮して決定される。或いは、気液分離室２２内に設けられた水位センサが不凍液の排出完了を示す水位を示すまで、ポンプ２８の排出動作が継続される。不凍液の排出が完了すると、ＥＣＵ３２は、弁２６を閉弁状態にする、これによって、気液分離器１６が、図２(Ａ)に示す状態となる。
【００５３】
なお、上記した例では、移動体が停止状態になると、気液分離室２２内に不凍液が供給される構成例を示した。このような構成に対し、図２に示すように、温度センサ３３を用意し、移動体の停止時において、ＥＣＵ３２が温度センサ３３の出力から得られる温度に基づき不凍液を供給するか否かを決定するようにしても良い。
【００５４】
この場合、温度センサ３３は、外気温、気液分離器１６の本体２１の表面温度、気液分離器２２内の温度、イオン交換樹脂３１の表面温度のうち、任意の箇所を測定する適宜の位置に配置される。
【００５５】
ＥＣＵ３２は、移動体の停止を検出した場合に、温度センサ３３を用いて測定される温度が所定温度未満か否かを判定し、所定温度未満であれば、上述したような不凍液の供給処理を行う。これに対し、温度が所定温度未満でなければ、ＥＣＵ３２は、当該温度の監視を継続し、移動体の停止状態が解除される迄の間に、温度が所定温度未満となった時点で、不凍液の供給処理を開始する。なお、上記供給処理の開始判定に、複数の箇所で測定された温度を用いるようにすることもできる。
【００５６】
なお、上記した構成例では、気液分離室２２内の生成水が供給／排出口２５から配管２７に流れ込むのを防止すべく、弁２６を設けている。もっとも、供給／排出口２５とポンプ２８との距離を十分に短くすることができれば、弁２６を省略し、ポンプ２８を弁の代わりに適用することが考えられる。
【００５７】
また、上記した構成例では、不凍液を貯留する貯留漕３０が用意された例を示した。これに代えて、燃料電池１の冷却系を構成するラジエータ７４(図１)内の不凍液が気液分離
室２２に対して供給／排出される構成も考えられる。また、ラジエータ７４と燃料電池１との間を循環する冷媒に不凍液が適用されている場合には、その不凍液を気液分離室２２に対して供給／排出することも考えられる。
【００５８】
〈第１実施形態の作用効果〉
第１実施形態によれば、内部にイオン交換樹脂３１が配置された気液分離器１６がイオン除去装置として機能する。また、ドレン弁２４，弁２６，配管２７，ポンプ２８，モータ２８Ａ，配管２９，貯留槽３０，及びＥＣＵ３２がイオン交換樹脂３１の凍結を抑制する凍結抑制手段として機能し、ポンプ２８が不凍液供給手段として機能する。
【００５９】
制御手段たるＥＣＵ３２が、ドレン弁２４，弁２６，ポンプ２８の動作を制御することにより、移動体の停止時において、気液分離室２２内のイオン交換樹脂３１が不凍液内に没した状態とされる。
【００６０】
これにより、零度以下の環境下においても、イオン交換樹脂３１及びその内部の水分が凍結・膨張することが抑えられる。従って、イオン交換樹脂３１の破損が防止される。破損が防止されることにより、破損により生じるイオン交換樹脂３１の欠落部分の回収を考慮する必要がなくなる。また、イオン交換樹脂３１の一部が欠落することが防止されることで、イオン交換樹脂３１の減少によるイオン除去機能の低下を抑えることができる。
【００６１】
〈変形例〉
図１及び図２を用いて説明した第１実施形態では、酸化剤オフガスの気液分離器１６に対して不凍液を供給／排出する構成を例示した。これに対し、図１に示すような燃料オフガスの気液分離器６に対し、図２に示すような不凍液の供給／排出する構成を適用し、気液分離器６内に配置されたイオン交換樹脂が不凍液内に没する構成とすることが可能である。
【００６２】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態は第１実施形態との共通点を有する。このため、共通点については説明を省略し、主として相違点について説明する。
【００６３】
〈気液分離器の構成〉
第２実施形態は、酸化剤オフガスの気液分離器を中心とした構成が第１実施形態と異なる。図３は、第２実施形態における、酸化剤オフガスの気液分離器を中心とした構成例を示す図である。
【００６４】
第２実施形態では、図１及び図２に示した気液分離器１６の代わりに、気液分離器３５が適用される。気液分離器３５は、気液分離器１６(図２)と次のように異なる。即ち、気液分離器３５の本体３６の内部空間は、気液分離室３７として機能する。
【００６５】
気液分離室３７の底面には、第１実施形態と異なり、不凍液の供給／排出口は形成されておらず、イオン交換樹脂３１が開口部２５を除いて底面上に敷き詰められた状態で配置されている。その代わりに、気液分離室３７内には、イオン交換樹脂３１が完全に没する量の不凍液(図３ではＬＬＣ)が、常に充填された状態となっている。
【００６６】
開口部２５には、ドレン弁２４及び配管３８が取り付けられている。開口部２５，ドレン弁２４及び配管３８は、気液分離室３７内の不凍液ＬＬＣの補充・交換のために用意されたものであり、必須のものではない。また、第２実施形態からは、弁２６，配管２７，ポンプ２８，モータ２８Ａ，配管２９及び貯留槽３０が省略される。
【００６７】
以上の点を除き、気液分離器３５の構成は、気液分離器１６と同様である。このような構成によって、配管１５から気液分離室３７内に導入された酸化剤オフガスから生成水が分離され、気液分離室３７の下部において、不凍液ＬＬＣに溶け込む構成となっている。このとき、生成水に含まれるイオン(フッ素イオン、金属イオン)は、イオン交換樹脂３１に吸着することで除去される。
【００６８】
このように、イオン交換樹脂３１が常時不凍液ＬＬＣ内に没していることで、気液分離室３７内の温度が零度以下になったとしても、イオン交換樹脂３１は凍結せず、イオン交換樹脂３１の破損が防止される。
【００６９】
〈加熱手段〉
第２実施形態では、気液分離室３７は、不凍液中の生成水を蒸発させる蒸発室として使用される。気液分離室３７内で蒸発した生成水(水蒸気)は、酸化剤オフガスとともに排出管１６Ａから排出される。このため、第２実施形態では、気液分離器３５内の生成水を蒸発させるための加熱手段を有する。加熱手段として、図３に示すような第１加熱手段、図５に示すような第２加熱手段の適用が考えられる。
【００７０】
《第１加熱手段》
第１加熱手段は、例えば図３に示すように、電力供給部３９と、電力供給部３９と通電線４０を通じて接続された電熱線ヒータ４１(以下、単に「ヒータ４１」と表記)とを備えている。ヒータ４１は、例えば、気液分離器３５の本体３６の側面及び底面を取り巻くように設けられ、気液分離室３７を一様に加熱するように構成されている。
【００７１】
電力供給部３９は、燃料電池システムが搭載される移動体の駆動力を生成する発電機(
モータ：図示せず)において、移動体の減速時に生じる回生ブレーキにより生成される余
剰エネルギーを用いてヒータ４１に対する電力供給(通電(電圧印加))を行う。
【００７２】
電力供給部３９は、移動体駆動用の発電機で発生する回生ブレーキによる電力(回生エ
ネルギー(余剰エネルギー))を受け取るように構成されている。この余剰エネルギーが電
力供給部３９から通電線４０を介してヒータ４１に与えられ、ヒータ４１の発熱により、気液分離室３７(蒸発室)内が加熱される。
【００７３】
電力供給部３９は、二次電池３９Ａを有しており、発電機からの電力は二次電池３９Ａの充電に使用することもできる。この場合、電力供給部３９に受入される電力の一部が常に二次電池３９Ａの充電に使用され、残りがヒータ４１に供給されるようにしても良い。或いは、優先的に二次電池３９Ａの充電が行われ、二次電池３９Ａの充電量が上限に達している場合に、受入電力がヒータ４１に供給されるようにしても良い。
【００７４】
ヒータ４１は、電力供給部３９からの電力により発熱し、気液分離室３７(蒸発室)を加熱する。これによって、気液分離室３７内に貯留された不凍液ＬＬＣの温度が水の沸点(
１００℃)を超えると、不凍液ＬＬＣ中の生成水が蒸発し、酸化剤オフガスの気相成分と
ともに排出管１６Ａから排出される。
【００７５】
通常、不凍液として適用されるエチレングリコールやプロピレングリコールの沸点は、水の沸点よりも高い。このため、水の沸点以上不凍液の沸点未満の範囲で不凍液ＬＬＣが加熱されれば、不凍液ＬＬＣ中の水分(生成水)のみが蒸発する。このため、ＥＣＵ３２は、次のような温度制御を行うことができる。
【００７６】
例えば、図３に示すように、気液分離室３７内には、不凍液ＬＬＣの温度を測定するた
めの温度センサ４２が設けられる。温度センサ４２の出力はＥＣＵ３２に入力される。ＥＣＵ３２は、温度センサ４２の出力に基づき不凍液ＬＬＣの温度を測定する。このとき、温度制御のための規定値として、少なくとも、水の沸点を考慮した第１の規定値と、不凍液ＬＬＣの沸点を考慮した第２の規定値とが用意される。
【００７７】
図４は、第１及び第２の規定値を使用するＥＣＵ３２による温度制御の例を示すフローチャートである。図４において、ＥＣＵ３２は、不凍液ＬＬＣの温度(液温)を測定し、Ｅ気温が第１の規定値以下か否かを判定する(ステップＳ１)。
【００７８】
液温が第１の規定値を上回る場合(Ｓ１；ＮＯ)には、ＥＣＵ３２は、液温が水の沸点以上であるものとして、処理をステップＳ１に戻す。これに対し、液温が第１の規定値以下である場合(Ｓ１；ＹＥＳ)には、液温が水の沸点未満であるものとして、電力供給部３９に制御信号を与え、ヒータ４１をオフ状態(回生エネルギーの発生に拘わらず、ヒータ４
１へ電力が供給されない状態)から、オン状態(通電可能状態：電力供給部３９に対して回生エネルギー(電力)が受入されると、この電力がヒータ４１に供給される状態)に遷移さ
せる。
【００７９】
続いて、ＥＣＵ３２は、液温が第２の規定値以上か否かを判定する(ステップＳ３)。第２の規定値は、例えば、不凍液ＬＬＣの沸点よりもやや低い温度に設定される。ここで、液温が第２の規定値未満であれば(Ｓ２；ＮＯ)、ＥＣＵ３２は、液温を上昇させて生成水の蒸発を開始又は促進させるべく、ヒータ４１に対する通電可能状態を維持する(Ｓ２，
Ｓ３のループ)。
【００８０】
これに対し、液温が第２の規定値以上であれば、液温が不凍液ＬＬＣの沸点を超えて蒸発する(不凍液ＬＬＣが減少する)のを防止すべく、ＥＣＵ３２は、電力供給部３９を制御してヒータ４１をオフ状態に遷移させる(ステップＳ４)。その後、ＥＣＵ３２は処理をステップＳ１に戻す。
【００８１】
上記した処理において、ヒータ４１のオン／オフ制御は、例えば、次のように構成可能である。電力供給部３９とヒータ４１(通電線４０)との間に開閉スイッチを設け、開閉スイッチがオン(閉状態)となると、通電線４０を通じてヒータ４１に電力が供給される状態となり、開閉スイッチがオフ(開状態)となると、通電線４０からヒータ４１に対する電力供給が停止される構成とし、ＥＣＵ３２が電力供給部３９に対して開閉スイッチのオン／オフを制御する信号を電力供給部３９に与える。
【００８２】
また、ＥＣＵ３２は、ヒータ４１のオン状態において、回生エネルギーの発生頻度が小さく、回生エネルギーの通電のみでは適正な温度上昇が図れない場合には、通電線４０と二次電池３９Ａとの間を接続する接続スイッチをオンにする制御信号を電力供給部３９に与え、回生エネルギーによる電力に加えて二次電池３９Ａからの電力がヒータ４１に供給されるように構成しても良い。
【００８３】
なお、図４に示すような温度のフィードバック制御において、さらにヒータ４１のオン／オフを細分化して行うことが可能である。また、図３に示す構成に加えて、気液分離室３７内に水位センサ３１を配置し、気液分離室３７内の水位に応じて温度制御が行われるようにしても良い。
【００８４】
上述したＥＣＵ３２による処理(温度制御)は、生成水が燃料電池１の運転時のみに発生することから、燃料電池１のオン／オフ(移動体の駆動(停止解除)／停止)に合わせて、移動体の駆動時(燃料電池１の運転(発電)時)にのみ行われる。燃料電池１のオン／オフの検出は、第１実施形態で説明した手法と同様の手法が適用される。
【００８５】
《第２加熱手段》
また、図３及び図４に示した第１加熱手段の代わりに、又は併用を前提として、次のような第２加熱手段の適用を考えることができる。図５は、第２加熱手段の構成例を示す図である。図５に示すように、第２加熱手段は、例えば、熱媒体(気体又は液体)の循環路４３と、循環路４３上に配置され熱媒体を循環させるポンプ４４と、温度センサ４５とを含んで構成される。
【００８６】
循環路４３の一部は、例えば、図５に示すように、気液分離器３５の本体３６を取り巻くように設けられる。また、エアコンプレッサ１４(図１)の出口(吐出口)付近の配管１３内を通過するように構成される。
【００８７】
エアコンプレッサ１４から配管１３に吐出される空気は、その圧縮により高温となる(
水の沸点以上)。ポンプ４４により循環路４３内を循環する熱媒体は、配管１３内におい
てエアコンプレッサ１４から吐出される圧縮空気により加熱され、本体３６の周囲を通過する間に、その熱を気液分離室３７(蒸発室)内に伝達することができる。これにより、気液分離室３７内の温度(液温)を水の沸点以上に上昇させることが可能になっている。
【００８８】
但し、エアコンプレッサ１４から吐出される空気の温度(エアコンプレッサ１４の出口
直後の配管１３内の温度)は、エアコンプレッサ１４の駆動量に依存する。このため、温
度センサ４５が、エアコンプレッサ１４から吐出された直後の配管１３内の温度を計測するように設けられている。温度センサ４５の出力信号は、ＥＣＵ３２に入力される。ＥＣＵ３２は、熱媒体の循環により気液分離室３７内が適正に加熱されるように、ポンプ４４のオン／オフを制御する。
【００８９】
図６は、ＥＣＵ３２による処理(第２加熱手段(のポンプ３３)の制御)例を示すフローチャートである。図６において、ＥＣＵ３２は、処理を開始すると、温度センサ４５の出力に基づきエアコンプレッサ１４から吐出される空気の温度(吐出温度)を測定し、吐出温度が所定の設定値(予め設定されている)より大きいか否かを判定する(ステップＳ０１)。設定値は、例えば、気液分離室３７内の液温を水の沸点以上に上昇させることが可能な温度に設定される。
【００９０】
吐出温度が設定値よりも大きい場合(Ｓ０１；ＹＥＳ)には、ポンプ４４がオンにされる(ステップＳ０２)。即ち、ＥＣＵ３２は、ポンプ４４の駆動力を生成するモータ４４Ａに対し、オン信号(駆動信号)を与える。
【００９１】
これに対し、吐出温度が設定値未満である場合(Ｓ０１；ＮＯ)には、ポンプ４４がオフにされる(ステップＳ０３)。即ち、ＥＣＵ３２は、ポンプ４４のモータ４４Ａに対し、オフ信号(停止信号)を与える。
【００９２】
ステップＳ０２又はＳ０３の処理が終了すると、処理がステップＳ０１に戻る。このような制御によって、吐出温度が設定値を上回る間、ポンプ４４が熱媒体を循環させて気液分離室３７に案内された生成水の加熱(液温上昇又は維持)が行われる。一方、吐出温度が設定値未満となると、ポンプ４４による熱媒体の循環が停止し、熱媒体との熱交換で液温が低下することが防止される。
【００９３】
第１加熱手段(図３)と第２加熱手段(図５)とを併用する場合には、第１加熱手段を第２加熱手段の補助として使用することが考えられる。例えば、加熱が要求される場合には、優先的に第２加熱手段が利用される。第２加熱手段により適正な温度制御を図ることができない場合に、第１加熱手段が使用される。もっとも、図６に示したような第２加熱手段
の動作は、第１加熱手段の動作から独立して行われるように構成することも可能である。
【００９４】
なお、図５において、循環路４３の一部が気液分離器３５の本体３６の周囲を取り巻く構成とした。このような構成に代えて、循環路４３が気液分離室３７内を通過するように構成しても良い。
【００９５】
或いは、循環路４４の一部がエアコンプレッサ１４又はこれに駆動力を与えるモータ１４Ｂに接触するように構成し、エアコンプレッサ１４又はモータ１４Ｂの駆動により発生する熱が循環路４３の熱媒体に伝達される構成としても良い。
【００９６】
或いは、本体３６の外壁がエアコンプレッサ１４又はモータ１４Ｂに接触するように構成され、エアコンプレッサ１４又はモータ１４Ｂからの熱が気液分離室３７に伝達されるように構成することも考えられる。この場合、循環路４３及びポンプ４４は不要である。
【００９７】
〈第２実施形態の作用効果〉
第２実施形態によれば、気液分離器３５がイオン除去装置として機能し、気液分離室３７内に導入された生成水中のイオンをイオン交換樹脂３１で除去する。気液分離室３７内は、イオン交換樹脂３１が没する程度の不凍液ＬＬＣが常に充填された状態とされている。これによって、気液分離室３７が零度以下の環境となったとしても、イオン交換樹脂３５の凍結が抑制され、イオン交換樹脂３１が破損することがない。
【００９８】
また、第２実施形態では、気液分離器３５内の生成水は、加熱手段、及び／又は第２加熱手段により生成水のみが不凍液ＬＬＣから除去される。これによって、不凍液ＬＬＣ中に含まれる水の割合が低減される。このとき、不凍液ＬＬＣの加熱がその沸点よりも低い温度に抑えられることで、不凍液ＬＬＣの減少を抑えることができる。
【００９９】
なお、温度の上昇によりイオン交換樹脂３１のイオン吸着機能が低下する可能性がある。これについては、気液分離室３７内に配置するイオン交換樹脂３１の量を、イオン吸着機能が温度上昇により低下しても適正にイオン除去が行われる程度の量とすることで補填することができる。イオン交換樹脂３１のイオン吸着機能自体は、温度サイクル(温度の
上下変化)によって劣化することはない。
【０１００】
〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態について説明する。第３実施形態は、第１及び第２実施形態と共通点を有するので、主として相違点について説明する。第３実施形態は、第１実施形態における気液分離器１６を中心とした構成が異なる。
【０１０１】
〈気液分離器の構成〉
図７は、第３実施形態における、酸化剤オフガスの気液分離器を中心とした構成例を示す図である。図７において、気液分離器４７は、第１本体４８と、第１本体４８の下部に設けられた第２本体４９との各内部空間を、オリフィス５０で上下方向に連通してなる。
【０１０２】
第１本体４８には、配管１５及び排出管１６Ａ(図１、図２)が第１実施形態における気液分離器１６と同様の構成で取り付けられており、第１本体４８の内部空間は、気液分離器１６と同様の原理により配管１５からの酸化剤オフガスの気液分離を行う気液分離室５１として使用される。
【０１０３】
気液分離室５１で分離された生成水は、その底部に移動し、オリフィス５０を通って第２本体４９の内部空間に移動する。もっとも、オリフィス５０によって第２本体４９へ移動する生成水の量は調整(制限)されるので、気液分離室５１で分離された生成水は、オリ
フィス５１を通過するまでの間、気液分離室５１の底部に一旦溜まる状態となる。
【０１０４】
第２本体４９の内部空間は、オリフィス５０を通じて案内される生成水に含まれたイオン(フッ素イオン、金属イオン)を除去するドレン室５２として機能する。ドレン室５２の底面上には、イオン交換樹脂３１が敷き詰められた状態で配置されている。
【０１０５】
第２本体４９の底壁には、開口部５３が設けられ、開口部５３には排出管１６Ｂが接続されている。このような構成により、オリフィス５０を通じてドレン室５２に案内された生成水は、イオン交換樹脂３１を通過した後、開口部５３から配管１６Ｂへ排出される。生成水中のイオンは生成水がイオン交換樹脂３１を通過する際にイオン交換樹脂３１に吸着し、除去される。
【０１０６】
上記したように、ドレン室５４に案内される生成水の流量は、オリフィス５０により調整される。これによって、一時に多量の生成水がドレン室５４に流れ込み、短い時間でドレン室５２を通過してしまうことが防止される。即ち、オリフィス５０によってドレン室５２への生成水の案内量が制限されることで、イオン交換樹脂３１によるイオン除去性能を効率的に引き出すことができる。
【０１０７】
イオン交換樹脂３１の凍結・膨張による破損を防止するため、第３実施形態では次の構成が採用されている。即ち、第２本体４９の底面には、電熱線ヒータ５４(以下、単に「
ヒータ５４」と表記)が設けられている。ヒータ５４は、ドレン室５２内部に配置された
イオン交換樹脂３１が底壁を介して積層された状態(ヒータ５４上にイオン交換樹脂３１
が底壁を介して載置された状態)となっている。このような構成により、ヒータ５４の発
熱によって、イオン交換樹脂３１が一様に加熱される。
【０１０８】
第２本体４９及びヒータ５４は、断熱材５５により被覆されている。断熱材５５の一部は、第１本体４８と第２本体４９との間に介装されている。このような構成により、ドレン室５２内の温度が保温され、少ない熱量(電力)で効率良くドレン室５２内のイオン交換樹脂３１の凍結が防止されるようになっている。また、第２本体４９の熱が第１本体４８に伝わり、気液分離室５１における気液分離効率が低下することが防止される。
【０１０９】
電熱線ヒータ５４は、通電線を介して電力供給部３９に接続されている。電力供給部３９は、第２実施形態と同様の構成を持ち、その動作はＥＣＵ３２によって制御される。ドレン室５２内には、イオン交換樹脂３１の表面又は内部温度(「樹脂温度」と称する)を検出する温度センサ５６が設けられている。ＥＣＵ３２は、温度センサ５６の出力を用いて測定される樹脂温度に基づき、イオン交換樹脂３１(ドレン室５２)の加熱を制御する。樹脂温度の代わりにドレン室５２内の温度を適用することもできる。
【０１１０】
なお、ヒータ５４とイオン交換樹脂３１とが積層構造にされることで、イオン交換樹脂３１の温度分布は一様にされているので、イオン交換樹脂３１に対して代表点を定め、一つの温度センサ５６でその代表点の温度を測定すれば、イオン交換樹脂３１のどの位置の温度も把握できるようにされている。
【０１１１】
〈ＥＣＵによる処理〉
ＥＣＵ３２は、第１実施形態と同様に、移動体の駆動(走行)／停止を監視するように構成されており、移動体の駆動(走行)時には、図８に示すような第１の温度制御処理を行い、移動体の停止時には、図９に示すような第２の温度制御処理を行う。
【０１１２】
《第１の温度制御処理》
図８に示す処理が開始されると、ＥＣＵ３２は、移動体(車両)が停止しているか否かを
判定する(ステップＳ１１)。このとき、移動体が停止していれば(Ｓ１１；ＹＥＳ)、処理がステップＳ１１に戻される。これに対し、移動体が停止していなければ(移動体が走行
していれば：Ｓ１１；ＮＯ)には、ＥＣＵ３２は、温度センサ５６の出力を用いて樹脂温
度を測定し、樹脂温度が所定温度Ｔ１以下か否かを判定する(ステップＳ１２)。
【０１１３】
所定温度Ｔ１は、例えばイオン交換樹脂３１内の水分が凍結し始めると予想される温度を以て規定することができる。言い換えれば、所定温度Ｔ１は、イオン交換樹脂３１内の水分が凍結しない温度(Ｔ１＞０℃)に設定される。このとき、所定温度Ｔ１をイオン交換樹脂３１によるイオン除去について好適な温度とすることもできる。
【０１１４】
樹脂温度が所定温度Ｔ１以下である場合(Ｓ１２；ＹＥＳ)には、ＥＣＵ３２は、電力供給部３９に制御信号を与え、ヒータ５４に対する回生エネルギーによる通電可能状態(ヒ
ータオン)とする(ステップＳ１３)。その後、処理がステップＳ１１に戻る。
【０１１５】
これにより、移動体の減速によって回生エネルギーが生じる毎に、その電力が電力供給部３９から通電線を介してヒータ５４に供給され、イオン交換樹脂３１が加熱される。これによって、イオン交換樹脂３１の凍結が抑制され、その破損が防止される。
【０１１６】
一方、ステップＳ１２において、樹脂温度が所定温度Ｔ１を上回る場合(Ｓ１２；ＮＯ)には、ＥＣＵ３２は、イオン交換樹脂３１が凍結しない温度が維持されているものとして、電力供給部３９に制御信号を与え、ヒータ５４に対する通電をオフの状態(ヒータオフ)にする(ステップＳ１４)。その後、処理がステップＳ１１に戻る。
【０１１７】
このように、樹脂温度が所定温度Ｔ１を上回るように、ヒータ５４によるイオン交換樹脂３１の加熱制御が行われる。ヒータオフの状態では、回生ブレーキにより生じる回生エネルギーは、電力供給部３９に備えられた二次電池３９Ａの充電に利用される。
【０１１８】
《第２の温度制御処理》
図９に示す処理が開始されると、ＥＣＵ３２は、移動体(車両)が停止しているか否かを判定する(ステップＳ２１)。移動体が停止していない場合(走行中である場合：Ｓ２１；
ＮＯ)には、処理がステップＳ２１に戻される。
【０１１９】
これに対し、移動体が停止している場合(Ｓ２１；ＹＥＳ)には、ＥＣＵ３２は、外気温を測定するための温度センサ(図示せず)を用いて、外気温が所定温度ｔ１より低いか否かを判定する(ステップＳ２２)。所定温度ｔ１は水が凍結する零度より低い温度で設定される。
【０１２０】
外気温が所定温度ｔ１より高い場合(Ｓ２２；ＮＯ)には、ＥＣＵ３２は、自身に内蔵されたタイマをリセットし(Ｓ２３)、処理をステップＳ２１に戻す。これに対し、外気温が所定温度ｔ１より低い場合(Ｓ２２；ＹＥＳ)には、ＥＣＵ３２は、タイマが初期状態(リ
セット直後の状態)であるか否かを判定する(ステップＳ２４)。
【０１２１】
タイマが初期状態である場合(Ｓ２４；ＹＥＳ)には、ＥＣＵ３２は、タイマをスタートさせる(ステップＳ２５)。その後、処理がステップＳ２６に進む。タイマが初期状態でない場合(Ｓ２４；ＮＯ)には、ＥＣＵ３２は、処理をステップＳ２６へ進める。
【０１２２】
ステップＳ２６では、ＥＣＵ３２は、タイマがタイムアウトになっているか否かを判定する。タイマは、所定の時間を計時するとタイムアウトとなって停止する。ＥＣＵ３２はタイマ値がタイムアウト値を示す場合には、タイムアウトになっていると判定する。
【０１２３】
タイマがタイムアウトになっていなければ(Ｓ２６；ＮＯ)、処理がステップＳ２１に戻される。一方、タイマがタイムアウトになっていれば(Ｓ２６；ＹＥＳ)、ＥＣＵ３２は、タイマをリセットし(ステップＳ２７)、その後、ヒータ５４をオン状態にする(ステップ
Ｓ２８)。
【０１２４】
ステップＳ２１〜Ｓ２８の処理では、移動体の走行が停止され、零度以下の環境下に長時間放置されたか否かが判定される。移動体が停止され、零度以下の環境下に放置されると、ドレン室５２の温度は次第に低下し、やがては零度以下となり、イオン交換樹脂３１が凍結することが想定される。
【０１２５】
これに基づき、ステップＳ２１で移動体の放置が開始されたことが検知され、ステップＳ２２で外気温が所定温度ｔ１(零度以下)であることが検知された場合には、タイマによる計時がスタートされる(Ｓ２５)。
【０１２６】
タイマの計時時間は、移動体の走行が停止された後、外気温との関係でドレン室５２内の温度が氷点下となるのに必要な時間(実験等で求めることができる)が考慮され、当該時間より長くならないように決定される。ここでは、タイマの計時時間は外気温に応じて複数種類用意されている。ＥＣＵ３２は、ステップＳ２２で測定された外気温に応じたタイマの計時時間をステップＳ２５でタイマにセットし、計時をスタートする。
【０１２７】
タイマの計時中において、外気温が所定温度ｔ１以上となった場合(Ｓ２２；ＮＯ)や、移動体の走行(駆動)が開始された場合(Ｓ２１；ＮＯ)には、ドレン室５４内の温度低下が抑止されたと考えられるので、タイマがリセットされる(Ｓ２３)。
【０１２８】
これに対し、タイマがタイムアウトになった場合(Ｓ２６；ＹＥＳ)には、そのままであるとイオン交換樹脂３１が凍結するものとして、ＥＣＵ３２は、ヒータ５４による加熱を開始する(Ｓ２８)。但し、この時点では、移動体は停止(燃料電池１の発電は停止)しているので、回生ブレーキによる余剰エネルギーは発生しない。このため、ＥＣＵ３２は、ステップＳ２８において、電力供給部３９に備えられた二次電池３９Ａをヒータ５４に接続し、二次電池３９Ａからの電力でヒータ５４を発熱させる。
【０１２９】
処理がステップＳ２９に進むと、ＥＣＵ３２は、温度センサ５６を用いて測定されるイオン交換樹脂３１の温度(樹脂温度)が氷点より高い所定温度ｔ２以上か否かを判定する。樹脂温度が所定温度ｔ２以上でなければ(Ｓ２９；ＮＯ)、ヒータ５４のオン状態が維持される(Ｓ２８，Ｓ２９のループ処理)。
【０１３０】
これに対し、樹脂温度が所定温度ｔ２以上であれば(Ｓ２９；ＹＥＳ)、ＥＣＵ３２は、イオン交換樹脂３１の凍結のおそれはないものとして、ヒータ５４に対する通電をオフ(
ヒータオフ)にする(ステップＳ３０)。
【０１３１】
その後、ＥＣＵ３２は、移動体の停止が継続され(ステップＳ３１；ＹＥＳ)、且つ樹脂温度が所定温度ｔ２以下であり氷点より高い所定温度ｔ３よりも低下する(ステップＳ３
２；ＹＥＳ)までの間、ヒータオフの状態を維持する(Ｓ３０〜Ｓ３２のループ処理)。こ
の間に、移動体の停止状態が解除された場合(Ｓ３１；ＮＯ)には、処理がステップＳ２１に戻される。
【０１３２】
一方、樹脂温度が所定温度ｔ３よりも低下した場合(Ｓ３２；ＹＥＳ)には、ＥＣＵ３２は、移動体の停止状態が解除されているか否かを判定する(ステップＳ３３)、停止状態が解除されている場合(Ｓ３３；ＮＯ)には、処理がステップＳ２１に戻される。停止状態が解除されていない場合(Ｓ３３；ＹＥＳ)には、処理がステップＳ２８に戻され、ヒータ５
４への通電が再開される。
【０１３３】
以上のように、ステップＳ２９〜Ｓ３３では、移動体の停止が解除される迄の間、樹脂温度が氷点より高い温度で維持されるように、ヒータ５４による加熱が行われる。また、ヒータ５４のオン／オフ制御が行われることで、二次電池３９Ａの電力が節約される。
【０１３４】
なお、図９に示す処理に代えて、移動体の停止時にも、図８に示す処理が実行されるようにしても良い。但し、この場合におけるヒータ５４の電源は二次電池３９Ａとなる。
【０１３５】
〈第３実施形態の作用効果〉
第３実施形態によれば、気液分離器４７がイオン除去装置として機能し、ドレン室５２に案内された生成水中のイオンが、ドレン室５２内に配置されたイオン交換樹脂３１により除去される。
【０１３６】
電力供給部３９，ヒータ５４，及び制御手段としてのＥＣＵ３２は、イオン交換樹脂３１の凍結を抑制する凍結抑制手段として機能し、電力供給部３９及びヒータ５４は加熱手段として機能する。
【０１３７】
ヒータ５４によりイオン交換樹脂３１が加熱されることで、イオン交換樹脂３１の温度は零度以上に維持され、その凍結が防止される。これによって、イオン交換樹脂３１の破損が防止される。
【０１３８】
〈変形例〉
図７に示す例では、イオン交換樹脂３１の加熱手段として、第２実施形態で説明した第１加熱手段と同様の構成を例示した。第３実施形態の構成として、第２実施形態で説明した第２加熱手段を、移動体の駆動時(走行時)におけるイオン交換樹脂３１の加熱のために設けても良い。
【０１３９】
また、第３実施形態では、酸化剤オフガスの気液分離器に対して図７に示す構成を適用した例を示したが、燃料オフガスの気液分離器(例えば図１の気液分離器６)に対して、図７に示す構成を適用することも可能である。
【０１４０】
〔第４実施形態〕
次に、本発明の第４実施形態について説明する。第４実施形態は、第１〜第３実施形態と共通点を有するので、共通点については説明を省略し、主として相違点について説明する。第４実施形態は、第１実施形態における気液分離器１６を中心とした構成が異なる。
【０１４１】
〈気液分離器の構成〉
図１０は、第４実施形態における、酸化剤オフガスの気液分離器を中心とした構成例を示す図である。図１０において、気液分離器５８は、第１実施形態で説明した気液分離器１６(図２)と次の点で異なっている。
【０１４２】
開口部２５に対し、直接に排出管１６Ｂが取り付けられ、ドレン弁２４が省略されている。もっとも、ドレン弁２４の代わりのフロート弁６１が気液分離室２２内に配置されている。フロート弁６１は、弁体６２と、フロート６３と、弁体６２とフロート６３との連結部６４とからなる。弁体６２は、フロート６３の浮力により、気液分離室２２内に溜まる生成水の水位に応じて、開口部２５に対して進退する。
【０１４３】
開口部２５周辺の気液分離室２２の底面は、弁体６２に対する弁座６５として機能し、弁体６２は、水位が所定水位よりも低い間、弁座６５と当接して開口部２５を閉塞する。
これに対し、水位が所定水位を超えると、フロート６３の浮力により、弁体６２は上方に移動し、弁座６２との当接状態を解除する。これによって、気液分離室２２と排出管１６Ｂとが連通状態となり、生成水が排出管１６Ｂへ排出される。
【０１４４】
このような構成により、気液分離室２２内で酸化剤オフガスから分離された液相成分(
生成水)は、或る程度の時間、気液分離室２２内で滞留する。このように、気液分離室２
２は、生成水貯留槽として機能する。
【０１４５】
気液分離室２２の底面には、さらに、第２開口部６２が設けられている。また、内部空間が第２開口部６２を通じて気液分離室２２と連通するように、イオン交換樹脂漕(容器
部)６７が、気液分離器５８の本体２２の外面(底面)に取り付けられている。イオン交換
樹脂漕６７は、イオン交換樹脂３１を収容しており、その内部空間は不凍液ＬＬＣで満たされている。
【０１４６】
第２開口部６６には、第２開口部６６を閉塞する状態で、半透膜６８が設けられ(張設
され)ている。半透膜６８により、気液分離室２２とイオン交換樹脂漕６７の内部空間と
が隔てられた状態となっており、気液分離室２２内の生成水は、半透膜６８を介して不凍液ＬＬＣに接する状態となっている。半透膜６８は、例えば、セルロース誘導体膜を用いて構成される。
【０１４７】
半透膜６８は、不凍液ＬＬＣの透過を許容せず、イオン交換樹脂漕６７は密閉状態となっている。また、気液分離室２２内の生成水は、イオン交換樹脂漕６７が不凍液ＬＬＣで満たされていることにより、イオン交換樹脂漕６７への移動を規制されている。もっとも、生成水中のイオン(フッ素イオン、金属イオン等)は、半透膜６８を透過してイオン交換樹脂漕６７内に移動可能となっている。
【０１４８】
なお、イオン交換樹脂漕６７の周囲は、断熱材６９で覆われている。これにより、イオン交換樹脂漕６７内がその周囲の空気で冷却されたり、本体２１に熱を奪われたりすることが抑制される。即ち、漕内の不凍液ＬＬＣが冷却されにくい構造となっている。これによって、不凍液ＬＬＣの温度低下によるイオン交換樹脂３１のイオン除去性能低下が抑制される。
【０１４９】
以上のような構成を持つ気液分離器５８によれば、次に示すようなイオン移動プロセス(サイクル)を以て、生成水中のイオンが除去される。即ち、気液分離室２２内には、生成水の水位が所定水位未満の間、フロート弁６１により生成水が貯留される。
【０１５０】
このとき、生成水のイオン濃度が、不凍液ＬＬＣのイオン濃度よりも高い状態にあれば、浸透圧の原理により、生成水中のイオンが半透膜６８を介してイオン交換樹脂漕６７へ移動する。漕内に移動したイオンはイオン交換樹脂３１に吸着する。
【０１５１】
すると、不凍液ＬＬＣのイオン濃度が低下する。これにより、生成水のイオン濃度が不凍液ＬＬＣのイオン濃度よりも高くなれば、再びイオンが漕内へ移動する。このようなイオン移動プロセスが繰り返し行われることにより、気液分離室２２の生成水中のイオン濃度は、排出可能な程度まで低下する。そして、生成水の水位が所定水位以上になったことを契機として、フロート弁６１が開弁し、生成水は排出管１６Ｂに排出される。
【０１５２】
〈第４実施形態の作用効果〉
第４実施形態では、イオン除去装置としての気液分離器５８が、半透膜６８で隔てられた生成水貯留槽(気液分離室２２)とイオン交換樹脂漕６７(容器部)とを備える。イオン交換樹脂漕６７はイオン交換樹脂３１及び不凍液ＬＬＣを封入している。気液分離室２２内
に貯留される生成水は半透膜６を介して不凍液ＬＬＣに接する。このような、気液分離器５８の本体２１(気液分離室２２)，イオン交換樹脂漕６７，及び半透膜６８が、凍結抑制手段として機能する。
【０１５３】
第４実施形態によれば、生成水のイオン交換樹脂漕６７への移動が規制されているので、イオン交換樹脂３１に水分が入り込むことが抑制される。また、イオン交換樹脂漕６７内は不凍液ＬＬＣで満たされ、イオン交換樹脂３１が不凍液ＬＬＣ内に没した状態にあるので、漕内が零度以下となってもイオン交換樹脂３１の凍結が抑制され、破損が防止される。
【０１５４】
また、第４実施形態によれば、第１実施形態で示した不凍液の供給／排出機構，第２及び第３実施形態で説明したイオン交換樹脂３１のを加熱機構、及び各機構の制御手段が不要である。従って、構成の簡易化、スペースの有効利用を図ることができる。また、第４実施形態によれば、特別な制御(供給／排出制御、加熱制御)が不要であるので、容易にイオン交換樹脂の凍結を抑制することができる。
【０１５５】
さらに、第４実施形態によれば、不凍液ＬＬＣがイオン交換樹脂漕６７内に封入されているので、移動体の走行時等における振動により不凍液ＬＬＣが飛散することを防止することができる。
【０１５６】
〈変形例〉
第４実施形態の気液分離器５８の構成は、燃料オフガスの気液分離器(例えば、図１に
示す気液分離器６)に対して適用することが可能である。
【０１５７】
〔第５実施形態〕
次に、本発明の第５実施形態について説明する。第５実施形態は、第１〜第４実施形態と共通点を有するので、共通点については説明を省略し、主として相違点について説明する。
【０１５８】
第１〜第４実施形態は、燃料電池１の生成水(燃料電池システムで生成される水)中のイオンを除去するイオン交換樹脂３１の凍結を防止する構成について例示した。第５実施形態は、燃料電池システムで利用される水に含まれるイオンを除去するイオン交換樹脂の凍結を防止する構成について例示する。
【０１５９】
燃料電池システムで利用される水として、例えば、燃料電池１の冷却系で適用される冷却水がある。図１には、燃料電池１の冷却系が例示されている。図１において、燃料電池１には、冷却水入口(入口マニホールド)１Ｇ及び冷却水出口(出口マニホールド)１Ｈが設けられており、冷却水入口１Ｇと冷却水出口１Ｈとの間は、各セルのセパレータに設けられた通水路を経由する冷却水通路１Ｉで結ばれている。
【０１６０】
冷却水入口１Ｇは、配管７１を介して、冷却水を循環させる循環ポンプ(冷却水ポンプ)７２の出口に接続されている。一方、冷却水出口１Ｈは、配管７３を介して冷却水を冷却するラジエータ(冷却器)７４の入口に接続されている。また、ラジエータ７４の出口は、配管７５を介して三方弁７６の第１入口に接続されている。三方弁７６の出口は、配管７７を介して循環ポンプ７２の入口に接続されている。
【０１６１】
また、配管７３には、その途中から分岐するバイパス管７８の一端が接続されており、バイパス管７８の他端は、三方弁７６の第２入口に接続されている。また、配管７３と配管７７との間には、バイパス管７９が設けられ、バイパス管７９上にイオン交換樹脂を内蔵したイオン交換器８０が設けられている。
【０１６２】
このような構成によれば、燃料電池１の温度が低い場合には、三方弁７６の第１入口が閉じられ第２入口が開かれることによって、冷却水はバイパス管７８と燃料電池１との間を循環する。これに対し、燃料電池１の温度が発電に応じて所定温度を上回ると、三方弁７６の第１入口が開かれ第２入口が閉じられて、冷却水が燃料電池１とラジエータ７４との間を循環し、燃料電池１の冷却が図られる。
【０１６３】
また、冷却水の一部は、常時バイパス管７９及びイオン交換器８０を通って循環する。冷却水がイオン交換器８０を通過する際に、イオン交換器８０に内蔵されたイオン交換樹脂にイオンが吸着し、冷却水からイオンが除去される。
【０１６４】
以下、イオン交換器８０に内蔵されたイオン交換樹脂の凍結を抑制する構成例に付いて説明する。
【０１６５】
〈適用例１〉
図１１は、適用例１として、第１実施形態で説明した不凍液の供給／排出機構をイオン交換器８０に適用した構成例を示す図である。図１１において、イオン交換樹脂３１を内蔵したイオン交換器８０の冷却水の入口及び出口は、弁８２及び弁８３を介して配管(図
１のバイパス管７９)に接続される。
【０１６６】
また、イオン交換器８０は、第１ポンプ８４を介して冷却水貯留槽８５に接続されるとともに、第２ポンプ８６を介して不凍液貯留槽８７に接続されている。弁８２，弁８３，第１ポンプ８４及び第２ポンプ８６の動作は、ＥＣＵ３２により制御される。
【０１６７】
ＥＣＵ３２は、第１実施形態と同様に、移動体の駆動／停止を監視しており、移動体の停止を検出すると、各弁８２及び８３を閉弁するとともに、第１ポンプ８４を冷却水の排出方向に駆動させる。これにより、イオン交換器８０内の冷却水は、第１ポンプ８４を通じて冷却水貯留槽８５に退避する。
【０１６８】
冷却水の排出が完了すると、ＥＣＵ３２は、第１ポンプ８４を停止させて、第２ポンプ８６を不凍液の供給方向に駆動させる。これにより、イオン交換器８０内には、イオン交換樹脂３１が不凍液内に没するまで、不凍液貯留槽８７に貯留された不凍液が供給される。これにより、第１実施形態と同様の原理で、イオン交換器８０内が零度以下となっても、イオン交換樹脂３１が凍結し、破損することが防止される。
【０１６９】
その後、移動体の停止状態が解除されると、ＥＣＵ３２は、第２ポンプ８６を制御して、イオン交換器８０内の不凍液を不凍液貯留槽８７内に戻す。続いて、ＥＣＵ３２は、第１ポンプ８４を制御して、冷却水貯留槽８５内に退避した冷却水をイオン交換器８０内に戻す。その後、ＥＣＵ３２は、各弁８２及び８３を開弁状態にする。
【０１７０】
なお、弁８３の位置に第１ポンプ８４を配置して、イオン交換器８０内の冷却液がその循環路へ排出されるように構成することも考えられる。この場合、弁８３及び冷却液貯留槽８５は不要となる。
【０１７１】
〈適用例２〉
図１２は、適用例２として、第２、第３実施形態で説明したイオン交換樹脂の加熱手段(第１加熱手段)をイオン交換器８０に適用した構成例を示す図である。図１２において、イオン交換樹脂３１を内蔵したイオン交換器８０を取り巻くようにヒータ４１が設けられ、ヒータ４１は通電線４０を通じて供給される電力供給部３９からの電力により発熱し、イオン交換樹脂３１を加熱する。電力供給部３９の動作は、ＥＣＵ３２により制御される
。ＥＣＵ３２による加熱制御は、第２実施形態と同様の手法を適用可能であるので説明は省略する。
【０１７２】
〈適用例３〉
図１３は、適用例３として、第４実施形態で説明した構成が適用されたイオン交換器８０の構成例を示す図である。図１３において、イオン交換器８０は、イオン交換樹脂３１及び不凍液ＬＬＣを封入した(内部が不凍液ＬＬＣで満たされた)イオン交換樹脂漕８９を内蔵している。
【０１７３】
イオン交換樹脂漕８９は、少なくとも１つの窓(図１３では２つ)を持ち、各窓は半透膜６８で閉塞されている。イオン交換器８０内に導入された冷却水は、各半透膜６８を介して不凍液ＬＬＣに接するように構成されている。
【０１７４】
このような構成により、第４実施形態で説明したイオン移動プロセスを通じて冷却水中のイオンを除去することができる。また、イオン交換樹脂３１が不凍液内に没していることにより、イオン交換樹脂３１の凍結が抑制され、その破損が防止される。
【０１７５】
なお、イオン交換樹脂漕８９の外面は、半透膜６８を除き、断熱材で被覆されるのが好ましい。また、イオン交換器８０内で、冷却水の流速が低下する(滞留時間が長くなる)ように構成し、半透膜６８を通じたイオン移動が促進されるようにしても良い。
【０１７６】
また、応用例として、図１４に示すような構成の適用が考えられる。図１４では、冷却水の流路を構成する配管９０に、イオン交換樹脂３１及び不凍液ＬＬＣを封入したイオン交換樹脂漕９１が取り付けられている。配管９０内を流れる冷却液は、半透膜６８を介して不凍液ＬＬＣに接する状態となっている。イオン交換樹脂漕９１及び半透膜６８は、流路の適宜の位置に、適宜の数だけ設けることが可能である。
【０１７７】
〈第５実施形態の作用効果〉
第５実施形態によれば、イオン交換樹脂３１に入り込んだ燃料電池１の冷却水が零度以下の環境下で凍結・膨張し、イオン交換樹脂が破損することを防止することができる。なお、適用例１及び３は、冷却水の凝固点が不凍液ＬＬＣの凝固点よりも高い場合に適用可能である。なお、第５実施形態で説明した構成は、燃料電池の生成水や反応ガス中の水分が燃料電池の冷却水として使用される構成を持つ場合にも適用可能である。
【０１７８】
〈その他〉
本実施形態では燃料電池１としてＰＥＦＣが適用された例を示したが、本発明が冷却液の循環系にも適用可能なこと、及びＰＥＦＣ以外の燃料電池システムでも反応ガス(燃料
ガス、酸化剤ガス)の流路を構成する金属配管(例えばＳＵＳ製)を有し、この金属配管を
流れる生成水中に金属イオンが溶出される可能性があることに鑑み、本発明が適用される燃料電池は、ＰＥＦＣに限られない。
【０１７９】
第１〜第５実施形態で説明した構成は、本発明の目的を逸脱しない範囲で適宜組み合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１８０】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成例を示す図である。
【図２】図２は、第１実施形態における気液分離器１６を中心とした構成例を示す図であり、図２(Ａ)は、移動体の移動時を示し、図２(Ｂ)は、移動体の停止時を示す。
【図３】図３は、第２実施形態における、酸化剤オフガスの気液分離器を中心とした構成例(第１加熱手段)を示す図である。
【図４】図４は、ＥＣＵによる温度制御の例を示すフローチャートである。
【図５】図５は、第２加熱手段の構成例を示す図である。
【図６】図６は、ＥＣＵ３２による処理(第２加熱手段の制御)例を示すフローチャートである。
【図７】図７は、第３実施形態における、酸化剤オフガスの気液分離器を中心とした構成例を示す図である。
【図８】図８は、ＥＣＵによる第１の温度制御処理の例を示すフローチャートである。
【図９】図９は、ＥＣＵによる第２の温度制御処理の例を示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、第４実施形態における、酸化剤オフガスの気液分離器を中心とした構成例を示す図である。
【図１１】図１１は、第５実施形態における適用例１として、第１実施形態で説明した不凍液の供給／排出機構をイオン交換器に適用した構成例を示す図である。
【図１２】図１２は、適用例２として、第２及び第３実施形態で説明したイオン交換樹脂の加熱手段(第１加熱手段)をイオン交換器に適用した構成例を示す図である。
【図１３】図１３は、適用例３として、第４実施形態で説明した構成(イオン交換樹脂漕)が適用されたイオン交換器の構成例を示す図である。
【図１４】図１４は、イオン交換樹脂漕を冷却水の流路を構成する配管に適用した例を示す図である。
【符号の説明】
【０１８１】
ＬＬＣ・・・不凍液
１・・・燃料電池
１４・・・エアコンプレッサ
１６，３５，５８・・・気液分離器
２２，５１・・・気液分離室
２４・・・ドレン弁
２６・・・弁
２７，２９，９０・・・配管
２８・・・ポンプ
３０・・・貯留槽
３１・・・イオン交換樹脂
３２・・・ＥＣＵ
３９・・・電力供給部
３９Ａ・・・二次電池
４０・・・通電線
４１，５４・・・電熱線ヒータ
４３・・・循環路
４４・・・ポンプ
４５，５６・・・温度センサ
５０・・・オリフィス
５２・・・ドレン室
６１・・・フロート弁
６７，８９，９１・・・イオン交換樹脂漕(容器部)
６８・・・半透膜
８０・・・イオン交換器
８４・・・第１ポンプ
８５・・・冷却水貯留槽
８６・・・第２ポンプ
８７・・・不凍液貯留槽
【図１】
2006286544.tif 000003
【図２】
2006286544.tif 000004
【図３】
2006286544.tif 000005
【図４】
2006286544.tif 000006
【図５】
2006286544.tif 000007
【図６】
2006286544.tif 000008
【図７】
2006286544.tif 000009
【図８】
2006286544.tif 000010
【図９】
2006286544.tif 000011
【図１０】
2006286544.tif 000012
【図１１】
2006286544.tif 000013
【図１２】
2006286544.tif 000014
【図１３】
2006286544.tif 000015
【図１４】
2006286544.tif 000016